结肠癌是全球最常见的癌症之一，死亡率很高。作为一般的临床策略，手术切除，放疗和化学疗法已广泛用于治疗大肠癌。外科手术会遭受复发，转移和给患者带来极大痛苦。因此迫切需要有效的结肠癌治疗药。作为一种主要的气体递质，内源性硫化氢（H 2 S）在各种生理和生物学功能中至关重要，而生理和生物学功能与一系列疾病（例如癌症）密切相关。产生的内源性H 2 S可以促进结肠癌细胞在肿瘤组织周围的增殖和血管生成。研究人员设计了一种FeOOH NSs纳米材料，以利用其对H2S清除特性实现对大肠肿瘤进行成像和治疗，并级联产生具有光热疗法功能的FeS和铁细胞死亡。FeOOH NSs可以有效吸收CT26结肠肿瘤的内源性H2S，从而抑制结肠癌肿瘤细胞的生长。专门产生的光热FeS能够通过NIR激光照射进一步杀死癌细胞。我们还发现，FeS对结肠癌表现出铁细胞死亡作用。此外，这些FeOOH NSs能够通过MRI功能照亮肿瘤并进行图像引导的肿瘤治疗。MRI引导和H2S反应FeOOH NSs可用于精确结肠癌治疗。研究结果表明，具有生物相容性的FeOOHNSs纳米材料成功地作为一种治疗结肠癌的特异性药物，促进H2S响应型纳米平台的临床研发。


Unisense微电极系统的应用


NaHS用于模拟内源性H2S，用于研究FeOOH NSs介导的H2S消耗。将NaHS溶解在不同的溶液介质（PBS和FBS介质）中以模拟溶解的硫化氢。然后，将相同体积的具有不同浓度的FeOOH NSs溶液添加到溶液中2小时，使用Unisense硫化氢微电极作为时间的函数来测量溶解的硫化氢浓度。结肠癌细胞（CT26细胞）中的内源性硫化氢通过类似方法进行测量。用硫化氢微电极测量溶解的硫化氢浓度。分析了CT26肿瘤内的内源性H2S，向CT26肿瘤小鼠静脉注射3 mg mL−1(Fe)浓度的FeOOH NSs。取CT26肿瘤、裂解。离心后得到上清液，并使用硫化氢微电极上测定溶解的硫化氢浓度。


实验结果


成功开发了一种新型的H2S反应性FeOOHNSs纳米材料用于结肠癌联合治疗。制备的FeOOH NSs在体内外均能有效清除H2S。特定的H2S驱动的还原反应产生的FeS显示了强的近红外吸收和良好的光热性能。Fe2+介导的铁作用导致GPX4失活，直接导致肿瘤细胞死亡。同时，这种H2S激活的纳米嗅觉药物对4T1乳腺癌的治疗效果几乎可以忽略。此外，这些多功能FeOOH NSs能够作为一种有效的MRI造影剂检测肿瘤，并且在小鼠模型中长达3个月未检测到长期毒性。这些结果清楚地表明多功能FeOOH NS是一个强大的结肠癌药物治疗平台，具有很大的临床应用潜力。

图1、介孔FeOOH纳米纺锤体（NSs）的合成与表征。a）TEM图像和b）FeOOH NSs的元素映射模式。插图显示了相应的选定区域电子衍射图。c）结晶FeOOH NSs的TEM图像。d）FeOOH NSs在水溶液中的动态光散射数据。e）FeOOH NSs的XRD图谱。f）PEG修饰的FeOOH NSs（缩写为FeOOH NSs）的N 2吸附/解吸等温线。g）改性的FeOOH NSs在N 2吸附/解吸等温线中的孔径分布。h）加入改性的FeOOH NSs后，不同溶液（pH=5.0、6.0或7.4）的pH变化。图1、介孔FeOOH纳米纺锤体（NSs）的合成与表征。a）TEM图像和b）FeOOH NSs的元素映射模式。插图显示了相应的选定区域电子衍射图。c）结晶FeOOH NSs的TEM图像。d）FeOOH NSs在水溶液中的动态光散射数据。e）FeOOH NSs的XRD图谱。f）PEG修饰的FeOOH NSs（缩写为FeOOH NSs）的N 2吸附/解吸等温线。g）改性的FeOOH NSs在N 2吸附/解吸等温线中的孔径分布。h）加入改性的FeOOH NSs后，不同溶液（pH=5.0、6.0或7.4）的pH变化。

图2、4T1细胞和CT26细胞的体外细胞活力测定。a，b）在一系列浓度（0–1000×10-6 m）的NaHS孵育24小时后，4T1细胞和CT26细胞的相对细胞活力。c，d）用不同处理的4T1和CT26细胞的细胞生存力：1）PBS；2）NaHS；3）FeOOH；4）NaHS+FeOOH；5）NaHS+NIR；6）FeOOH+近红外;7）NaHS+FeOOH+NIR。将细胞处理组用808nm NIR激光照射5分钟，照射密度为1.5Wcm-2。所有经NaHS处理的组的浓度均设置为200×10-6 M）各种处理（Bar=50µm）后，用活/死试剂盒染色的CT26细胞的荧光图像。

图3、FeOOH NSs硝化H 2 S的体内外表现。a，b）在不同浓度的FeOOH NSs存在下，PBS和血清溶液中溶解的硫化氢的浓度随时间变化。两种介质中最初溶解的硫化氢浓度为300µmol L-1。c）CT26细胞裂解中溶解的H 2 S浓度。用不同的处理方法培养CT26细胞：对照组，NaHS（浓度为200µmol L-1），无或不同浓度的FeOOH NSs（n=8）。d）不同处理后CT26细胞中p-p38和p38表达水平的蛋白质印迹结果。e）治疗后肿瘤内溶解的硫化氢水平的定量比较（n=10）。f）各种治疗后肿瘤组织内p‐p38，p38和GPX4表达水平的蛋白质印迹结果。g）经过一系列治疗（Bar=100µm）后，对CT26肿瘤切片进行p-p38和CD31免疫染色。

图4、应用unisense硫化氢微电极测试4T1细胞裂解过程中溶解的硫化氢浓度。从4T1细胞中提取的H2S浓度分别用不同处理孵育:对照组、NaHS(200°M)和NaHS加一系列FeOOH NSs浓度。

图5、应用unisense硫化氢微电极测试4T1和CT26细胞裂解过程中溶解H2S的浓度。CT26细胞在对照组和FeOOH(n=6)处理下培养。


结论与展望


过量产生的硫化氢（H2S）对结肠癌的进展至关重要，并促进癌细胞的增殖。本论文的研究人员设计了用于肿瘤特异性H2S活化的药理纳米材料对于精确的结肠癌治疗将具有重要意义。研究人员通过开发一种生物相容性梭形氧化铁-氢氧化铁纳米锭（FeOOH NSs）材料并用于磁共振成像（MRI）、铁细胞死亡和基于H2S增强的联合结肠癌治疗。FeOOH NSs可以通过还原反应有效清除内源性H2S，从而阻止CT26结肠癌的生长。研究还发现这些由H2S负责的纳米治疗对其他类型的癌症（例如4T1乳腺癌）没有任何治愈作用。其中Unisense硫化氢微电极用来测量体内外溶解的硫化氢浓度，通过将NaHS溶解在不同的溶液介质（PBS和FBS介质）中以模拟溶解的硫化氢，然后将相同体积的具有不同浓度的FeOOH NSs溶液添加到溶液中2小时，使用Unisense硫化氢微电极作为时间的函数来测量溶解的硫化氢浓度。向CT26肿瘤小鼠静脉注射3 mg mL−1(Fe)浓度的FeOOH NSs，取出CT26肿瘤、裂解。离心后得到上清液，并使用硫化氢微电极上测定溶解的硫化氢浓度。这也表明，具有生物相容性的FeOOH NSs可以成功地用作治疗恶性结肠癌的治疗方法，这可能会促进H2S响应纳米平台的临床应用和发展。